秋季紅楓中隱藏的基因秘密

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『是什麼訊息告訴樹葉由綠轉紅?又是什麼因素讓葉子繼而枯萎脫落?外界環境與生物體的交互作用會影響細胞內不同機制的運作,而基因在調控機制中扮演著重要開關;多倫多約克大學生物學教授 Dawn Bazely 特別針對今年的氣候變化,說明楓葉轉紅以及落葉的機制與陽光強弱、日照時間、氣溫高低與水分多寡之間的關係。』

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時節的變化就好似一個巨大的時鐘,提醒著人們時間的推移,在夏季尾聲除了可以感受到微涼氣溫,花草樹木的變化也是明顯的指標,盎然綠樹漸漸枯黃落葉,而某些地區則可以看到樹葉轉為橘紅,進入最佳賞楓的時機。素有楓葉國度之稱的加拿大,每年九月入秋之際,熟成的楓葉將街道巷弄染成一片火紅,帶來一股濃厚的秋意,不過許多民眾發現今年的秋季似乎來得比較晚,許多落葉樹林(deciduous trees)在接近十月都還有著茂密的綠葉,只有零星幾處染上橙紅色調,或是稍轉為黃綠色,而且不僅葉片轉紅的時間較晚,落葉的時間也比往年延後了數週,讓今年秋季的色彩格外繽紛。

大自然猶如一張帆布 是誰在揮灑作畫

夏季處處可見綠油油的樹木,這是因為植物細胞中的葉綠體(chloroplasts)含有大量的葉綠素(chlorophyll),是主要行光合作用(photosynthesis)將光能轉化為葡萄糖的場所,除了提供植物生存所需能量,葉綠素會吸收大部分的紅光和藍光,但是不吸收綠光,因此讓葉子呈現綠色,不過除了葉綠素之外,植物細胞同時存在胡蘿蔔素(carotene)、類胡蘿蔔素(carotenoids)與花青素(anthocyanins)等有機色素,這些色素分別會吸收不同波長的可見光,而呈現不同顏色,胡蘿蔔素通常呈現橙色,類胡蘿蔔素是黃橙色,而花青素則呈現紅色,這些色素在夏季都存在於葉子中,不過大量葉綠素讓其他色素的表現不明顯。

隨著時節的轉換,不只有人們會感受到入秋的氣溫下降,植物也會因應陽光、溫度與水分的變化進行調適,而改變細胞中各種成分的含量,是什麼訊息告訴樹葉由綠轉紅?又是什麼因素讓葉子繼而枯萎脫落?外界環境與生物體的交互作用會影響細胞內不同機制的運作,而基因在調控機制中扮演著重要開關,許多植物學研究針對不同的基因表現進行分析,發現秋季樹葉中調控光合作用的基因表現明顯降低,不過調節葉片呼吸作用與液體代謝的基因表現增加,代謝機制由合成代謝(anabolism)轉換為分解代謝(catabolism)的模式,進入老化(senescence)葉片的階段。

今年加拿大秋楓晚熟的現象,多倫多約克大學(York University)生物學教授 Dawn Bazely 特別針對氣候變化,說明楓葉轉紅以及落葉的機制與陽光強弱、日照時間、氣溫高低與水分多寡之間的關係:

  • 陽光強弱:強烈的陽光會加速葉綠素分解,同時促使葉子中的花青素生成,使得葉片轉為熟成的紅色,同時也具有保護葉片免於受到陽光破壞的功能,因此如果是一個晴天較多的秋季,或是接受較多陽光照射的樹葉會偏紅色,若在一個陰天較多的秋季,或是接受日照較少的樹葉,葉片則會呈現黃色。
  • 日照時間:進入秋冬之時日照時間逐漸縮短,尤其在高緯地區尤為明顯,隨著四季的推移,植物的光週期(photoperiod)也隨之減少,儲藏葉綠素的葉綠體逐漸轉變為老化質體(gerontopalsts),老化的葉綠體不再進行光合作用。
  • 氣溫高低:維持葉綠素穩定存在需要適度的陽光與溫度,夏天時植物細胞內不斷進行著葉綠素的分解與製造,而低溫會使葉綠素合成的速度減慢,因此進入秋季氣候轉涼,以及明顯的日夜溫差,會加速葉片的顏色變化;然而,今年秋季較暖,因此綠葉維持的時間較長。
  • 水分多寡:當降雨量不足時,土壤中沒有足夠的水分供植物利用,植物本身有一套保護機制,藉由脫落樹葉以減少水分散失,不過今年夏秋的降雨量豐富,因此落葉的時間也隨之延後。

葉片變色與老化 基因扮演幕後操手

台灣大學森林暨環境資源學系曾發表一篇論文,探討秋季葉片顏色變化的基因機轉,以臺灣原生的楓香樹種(Liquidambar Formosana Hance)作為研究素材,並使用 DNA 微陣列(DNA microarray)分析,偵測不同顏色的楓香葉片中微核醣核酸(microRNA)的表現,發現綠葉、紅葉及黃葉中有特定微核糖核酸序列表現有明顯差異,同時也分析與葉片變色相關基因,包含:PaO、DFR 與 ANS,這些基因參與調控細胞內色素分解、合成等各種化學反應中所需的氧化、還原以及色素合成酵素,分析這些基因在葉片變化不同階段中的表現情形,並且對比啓動子(promoter)序列分析資料及葉片色素的含量,發現之間有顯著關聯,因此認為楓香葉老化、葉變色及葉片生長發育受到特定基因調控。

花開花落、綠樹轉紅這些都是人們再熟悉不過的自然現象,不過在了解這些變化的調節機制之後,你是否對大自然的精細感到驚嘆?下次在欣賞美景的同時,也可以想著其中奧秘的變化。秋季的紅葉的景色只會維持短短數週,再過一段時日就會落葉歸根,若想要一睹楓采,趕緊看看氣象預測,出發前往最佳的賞楓景點吧!

本文授權轉載自:
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